Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор 8
1.1. Состояние пожарной безопасности в судостроении, судоходстве и морских технических средствах - 8
1.2. Ядерно- и радиационно-опасные объекты в судостроительной промышленности и на водном транспорте. Пути повышения промышленной безопасности - 13
1 3 Физико-химические свойства и надмолекулярная структура воды- 20
1.4. Влияние физических и химических воздействий на физико-химические свойства и надмолекулярную структуру воды - 28
1.5. Цели и основные задачи исследования 43
Глава 2. Объекты и методы исследования 44
2.1. Методики проводимых экспериментов 44
2.2. Статистическая обработка результатов измерений 51
Глава 3 Исследование физико-химических свойств воды и огнетушащих составов на ее основе 58
3.1. Влияние переменного частотно-модулированного потенциала на физико-химические свойства воды, как огне-тушащего вещества - 58
3.2. Влияние переменного частотно-модулированного нотенциала на динамику испарения углеводородов - 64
3.3. Влияние переменного частотно-модулированного потенциала на эффективность тушения модельных очагов пожара - 69
3 4 Выводы по главе 75
Глава 4 Электрофизический метод повышения дезактивирующей способности водных составов 76
4.1 Дезактивация поверхности образцов, загрязненных радионуклидом в водных растворах - 77
4.2. Влияние переменного частотно-модулированного потенциала на эффективность дезактивации - 80
4 3 Дезактивация поверхности образцов, загрязненных радионуклидом Cs в водных растворах - 88
4.4. Разработка электрофизического метода повышения эффективности дезактивирующих средств на основе воды - 90
4.5 Выводы по главе 93
Глава 5. Научно-практическое применение электрофизического метода модификации питательной воды на судовых теплоэнергитических установках 94
5.1 Влияние электрофизического метода на процесс парообразование
5 2 Многофакторное исследование сравнительной эффек- 100
тивности работы генератора ГТЧМП применительно к процессу парообразования
5 3. Выводы по главе 108
Выводы 109
Список литературы
- Ядерно- и радиационно-опасные объекты в судостроительной промышленности и на водном транспорте. Пути повышения промышленной безопасности
- Статистическая обработка результатов измерений
- Влияние переменного частотно-модулированного нотенциала на динамику испарения углеводородов
- Влияние переменного частотно-модулированного потенциала на эффективность дезактивации
Введение к работе
Анализ статистических данных Государственной противопожарной службы показывает, что одной из наиболее пожароопасных отраслей промышленности является судостроение, что объективно связано с характеристиками, как производства, так и строящихся, а также ремонтируемых и утилизируемых судов и морских технических объектов. Действительно, на судостроительных и судоремонтных предприятиях перерабатываются огромные количества энергии (электрической, тепловой, механической), которая реализуется как в цехах, так и передается на строящееся или ремонтируемое судно по трассам-времянкам, на верфях перерабатываются тысячи тонн различных материалов, в том числе применяются сотни наименований твердых, жидких и газообразных пожаро- и взрывоопасных веществ, материалов и изделий (конструкционных и отделочных, так и используемых в технологических целях), масса которых сопоставима с массой судна По американским данным на судах номенклатура синтетических горючих материалов составляет более 300 наименований. Кроме того, существенными факторами пожарной опасности на верфях являются значительная трудоемкость и продолжительность постройки объектов морской техники.
Помимо судостроения высокий уровень пожароопасное существует и на морских и речных судах, а также на морских технических сооружениях (добычных комплексах и нефтяных терминалах). За многолетний период наблюдений можно сделать вывод, что пожары происходят примерно на 2 % судов мирового флота и составляют около 5 % аварий. Потери судов по этой причине стабильно занимают первое или второе место и составляют около 20 % от всех погибших, доходя до 39 судов (27,6 %). Пожары ежегодно происходят на 320-450 судах, 110 -130 боевых кораблях и 10 -15 добычных комплексах Велика доля пожаров и на морских технических средствах (МТС) по добыче нефти и газа - около 14,9 % от всех аварий (первое место среди ава-
рий), причем утрачено в результате пожаров около 8,0 % горевших или 10,3 % от всех погибших, или 1,2 % всех аварийных МТС
Длительные кризис и депрессия отечественной промышленности тяжело отразились как на квалификации работников предприятий, так и на соблюдении дисциплины (прежде всего технологической), что приводит к росту числа нарушений требований пожарной безопасности Многократно сократились вложения в противопожарную защиту, физическую защиту (охрану), технику безопасности и в поддержание других элементов промышленной безопасности Поэтому более актуальным становится вопрос о широком применении систем и средств автоматического и дистанционного контроля противопожарного режима.
Наиболее опасными представляются пожары на верфях, которые выполняют постройку, ремонт и утилизацию судов и кораблей с ядерными энергетическими установками (в основном, атомных подводных лодок), причем на некоторых верфях существуют также объекты, на которых выполняется перегрузка, обработка, транспортировка и временное хранение радиоактивных отходов (РО). Под воздействием облучения могут возникнуть новые направления энергопотоков, связанные с нарушением безопасности, в том числе и пожарной, потому что до настоящего времени зачастую слабо предсказуемо поведение материалов, подвергшихся облучению, ход химических процессов (таких, как гидролиз, сорбция делящихся материалов, восстановительно-окислительные процессы, рН-эффекты, эффекты температурные, ра-диолиза, экстракции и реэкстракции); механических и геологических процессов (например, фильтрации в грунтах, зависящей от состава пород) и т п Изменение свойств горючих материалов, прежде всего электроизоляции, а также механических свойств и сопротивления кабельных жил, может существенно увеличить пожарную опасность ядерно- и радиационно-опасных объектов (ЯРОО)
Применяемые десятилетиями и отработанные, казалось бы, технологические процессы обращения с РО являются, в действительности, не до конца изученными и в реалии пожароопасными, В мировой практике зафиксированы случаи пожаров, например, при осуществлении таких традиционных технологических процессов, как, например, битумирования для отверждения жидких РО. Таким образом, можно с уверенностью говорить о более качественно высоком уровне пожарной опасности на ЯРОО судостроения, чем на большинстве других объектов.
Одним из направлений совершенствования и повышения имеющегося потенциала тушения пожаров, а также дезактивации поверхностей могут служить безреагентные физические факторы, такие как электрические, магнитные и электромагнитные поля. Как показала практика, безреагентный метод будет применяться все шире, и это позволит снизить дозы химических реагентов в самых различных технологических процессах, и тем самым повысить промышленную и пожарную безопасность технологий.
В последние десятилетия эмпирически установлена возможность значительной активации водных систем различными физическими воздействиями - магнитными, акустическими, электрическими, термическими, дегазационными и др Это позволяет совершенствовать множество технологических и биологических процессов, проходящих в водных системах
Помимо всего прочего, эти направления дадут возможность обеспечить повышение, как эффективность пожаротушения, так и эффективность дезактивации судовых конструкций при их радиационном заражении.
Это позволяет считать, что указанные методы обработки воды явятся одним из возможных направлений модернизации системы обеспечения пожарной безопасности в судостроительной отрасли с целью приведения ее в соответствие с требованиями законодательства и нормативной технической документации.
Ядерно- и радиационно-опасные объекты в судостроительной промышленности и на водном транспорте. Пути повышения промышленной безопасности
Безопасность жизнедеятельности и природы становится все более важным аспектом существования человека, в том числе с точки зрения развития и функционирования технологических комплексов, поэтому промышленной безопасности уделяется все большее внимание в повседневной жизни общества. Влияние антропогенного, в первую очередь, промышленного воздействия на планету настолько велико, что по оценкам специалистов резко возросло ежегодное количество природных катастроф - в четыре раза за 30 лет к концу XX века. Это все в полной мере относится к судам, морским техническим средствам и верфям - мощным узлам пересечения энергии и информации [12].
К производственным судостроительным предприятиям, имеющим в своем составе ЯРОО относятся: - ОАО «Балтийский завод»; - ОАО «Амурский судостроительный завод» (ОАО «АСЗ»); - ФГУП «Судоремонтный завод «Нерпа» («СРЗ «Нерпа»); - ФГУП «Машиностроительное предприятие «Звездочка» («МП «Звездочка»), - ФГУП «ПО «Северное машиностроительное предприятие» («ПО «Севмаш»), - ФГУП «Дальневосточный завод «Звезда» («ДВЗ «Звезда»),
У достроечной набережной ОАО «Балтийский завод» на достройке находится атомный ледокол «50 лет Победы». Постройка АПЛ осуществляется на предприятиях «Севмаш» и «АСЗ». Ремонт АПЛ и АНК выполняется на ОАО «АСЗ», ФГУП «СРЗ «Нерпа», ФГУП «МП «Звездочка», ФГУП «ПО «Севмаш» и ФГУП «ДВЗ «Звезда». Утилизация АПЛ и АНК проводится на ФГУП «СРЗ «Нерпа», ФГУП «МП «Звездочка», ФГУП «ПО «Севмаш» и ФГУП «ДВЗ «Звезда».
На ФГУП «МП «Звездочка» и ФГУП «ДВЗ «Звезда» введены в действие уникальные береговые комплексы выгрузки отработавшего ядерного топлива. В табл. 1.2 приведено количество ПОО в судостроительной промышленности [8]. На каждом объекте ведется учет и контроль ядерных материалов, радиоактивных источников и радиоактивных веществ. Но при этом остается вероятность реализации аварий, связанных с выбросом радиоактивных материалов. Перечень возможных аварий представлен в таблице 1.3 [8].
Изложенное выше свидетельствует об актуальности вопроса обеспече ния ядерной и радиационной безопасности. Кроме того, в составе отечественного Военно-Морского Флота эксплуатируются и находятся в отстое АПЛ и надводные корабли с ЯЭУ. Ледоколы с ЯЭУ также эксплуатируются на Северном морском пути.
В процессе производственной деятельности ядерная, радиационная и экологическая безопасность обеспечивается в соответствии с действующими федеральными законами, нормами и правилами, случаи переоблучения персонала, выбросов и сбросов вредных веществ в окружающую среду сверх допустимых норм отсутствовали.
Для очистки объектов от радиоактивных материалов используются дезактивирующие растворы В настоящее время разработано множество рецептур дезактивирующих растворов, поэтому для рационального выбора необходимо оценивать их качество. Основные показатели качества - эффективность, дезактивирующая емкость, универсальность по отношению к дезактивируемым материалам и различным радионуклидам, глубина общей коррозии (локальных видов коррозии не должно быть), образование вторичных отложений, оптимальная рабочая температура, допустимое концентрирование рецептуры и ее устойчивость, многокомпонентность и многостадийность обработки, токсичность и т.п. Кроме того, следует учитывать затраты на приготовление и применение рецептуры, переработку отходов.
Существующие дезактивирующие растворы по их эффективности и назначению можно разделить на три группы [19]: растворы для удаления нефиксированных и слабофиксированных радиоактивных загрязнений. В первую группу входят простые растворы, содержащие ПАВ, комштексообразо-ватели, щелочи, кислоты. Состав растворов второй группы более сложен, они включают комбинации кислот, комплексообразователей, окислительно-восстановительных агентов, ионов-активаторов растворения окисных пленок металлов Растворы третьей группы являются комбинациями нескольких рецептур и предназначены для модифицирования отложений в целях последующей интенсификации их растворения. Растворы для удаления нефиксированных и слабофиксированных радиоактивных загрязнений
Статистическая обработка результатов измерений
Измеряемое значение параметров Хі в і-ом опыте представляет собой случайную величину, которая обычно отличается от истинного значения параметра Хц на величину погрешности Дк,, которая также является случайной величиной Погрешность измерений Ах, определяется рядом факторов, имеющих случайный характер [103,104]. К таким факторам в основном относятся-ошибки калибровки и измерительной системы приборов, влияние внешних условий (температуры, влажности, давления и Т.Д.), разброс характеристик испытуемых образцов; ошибки при снятии экспериментальных данных, обусловленные субъективными особенностями человека, проводившего измерения
Целью статистической обработки данных испытаний является определение вероятных характеристик случайной совокупности результатов измерений где -результаты измерений в отдельных экспериментах, І=1,2...п; п - количество измерений,
В связи с наличием случайных ошибок измерений Дх! величин х являются случайными. При ЭТОМ Д Х,=Хо- х,, где Хо - истинное значение измеряемого параметра. Таким образом, практически в каждом конкретном эксперименте измерения величина х, будет отличаться от истинного значения параметра %
Совокупности случайных величин х, называется выборкой Выборки случайных величин, получаемых в результате измерений при проведении испытаний, всегда ограничены. Выборка, которая содержит весьма большое количество случайных величин х,(т. е. когда п- -о), называется генеральной совокупностью. Однако в связи с ограниченностью числа измерений при проведении испытаний получить генеральную совокупность практически невозможно.
Статистическая обработка данных испытаний даже при анализе ограниченных выборок позволяет определить вероятные характеристики исследуемой величины (закон распределения или его параметры - математическое ожидание, дисперсию и др.), на основе которых значение измеряемого параметра может быть определено со значительно большей точностью, чем при единичном измерении. Точные значения измеряемого параметра могут быть получены только при статистической обработке генеральной совокупности.
Результаты, полученные на основе обработки ограниченной выборки, представляют собой также случайные величины и называются оценками соответствующих вероятностных характеристик (например, математических ожиданий, дисперсией). Точность оценки увеличивается с ростом объема выборки (при увеличении п).
Ограниченные выборки подразделяются на две группы: большие (п 30) и малые (// 30) выборки. В зависимости от вида выборки в определенной степени изменяются методики обработки.
Погрешность статистической оценки измеряемого параметра будет минимальной, если она будет отвечать следующим требованиям: - несмещенности, если математическое ожидание статистической оценки измеряемого параметра М[х] равно его истиной величине: М[х]=хо, где х - оценка измеряемого параметра
Здесь и в дальнейшем под обозначением х будем понимать статистическую оценку истинного значения измеряемого параметра состоятельности, если статистическая оценка измеряемого параметра сходится по вероятности и истинному значению параметра limPc-jf0] e}=l (2 6) где Р - обозначение вероятности, є - малая величина; эффективности, если дисперсия несмещенной оценки измеряемого параметра D[x] - минимальна: D[x] -» min (2.7)
Указанные требования должны учитываться при выборе методик определения статистических оценок измеряемых параметров Особенно это важно при обработке малых выборок.
Другими факторами, определяющими особенности методик статистической обработки результатов испытаний, являются такие свойства выборок, как независимость и однородность проводимых измерений
Однородные выборки содержат результаты измерений, принадлежащие одной генеральной совокупности. Для обеспечения однородности результатов измерений необходимо, чтобы отдельные эксперименты проводились в идентичных условиях, т е при одинаковых с учетом допусков калибровке и настройке измерительных приборах, характеристиках испытуемых образцов, а также температурных режимах. При нарушении этих условий некоторые результаты измерений могут выходить за рамки статистических закономерностей выборки в целом. В случае если такие измерения не исключить из выборки, то они могут приводить к существенным ошибкам при обработке статистических данных. При одностороннем изменении условий испытаний, которое действует при проведении многих измерений, могут возникать систематические ошибки, выявление которых является важной задачей статистической обработки результатов измерений.
Анализ основных положений статистической обработки результатов измерений позволяет сделать следующие заключения: в связи с ограниченностью времени и ресурсов на проведение испытаний исследователь, как правило, в своем распоряжении имеет для статистической обработки малую выборку; случайные величины, входящие в выборку, подчинены нормальному закону распределения; - при соблюдении стабильности условий проведения испытаний ре зультаты измерений, входящих в выборку, являются независимыми и однород ными случайными величинами.
Указанные положения могут быть взяты за основу статистической обработки экспериментальных результатов измерений.
Статистическая оценка измеряемого параметра. В теории вероятностей и математической статистике доказано, что при принятых допущениях состоятельной и несмещенной статистической оценкой измеряемого параметра является его математическое ожидание [103,104].
Влияние переменного частотно-модулированного нотенциала на динамику испарения углеводородов
На следующем этапе работы было изучено влияние генератора ПЧМП на динамику испарения углеводородов с точки зрения наличия водородных связей в молекулярном строении вещества.
Пожарная опасность предприятий переработки, хранения и транспортировки легковоспламеняющихся и горючих жидкостей (далее ЛВЖ и ГЖ) в большей степени определяется свойствами образуемой ЛВЖ и ГЖ паровоздушной средой в свободном объёме резервуара и вне его. Паро-воздушная смесь, имеющаяся в свободной от жидкости части емкости, может находиться в пределах как взрывопожароопасной, так и пожароопасной концентрации. Попадание в такое облако инициатора горения, в том числе и малокалорийного, способно привести к воспламенению или взрыву.
Кроме риска высокой пожарной опасности, предприятия также несут большие финансовые потери за счет улетучивающихся жидких углеводородов в результате колебания температуры окружающей среды и налива топлива. Как результат - изменение объема паро-воздушной смеси приводит к выходу паров наружу. Помимо прямых потерь, весьма актуальным является вопрос экологического загрязнения окружающей среды за счет попадания летучих компонентов ЛВЖ и ГЖ в атмосферу
Как известно, многие жидкости имеют не только внутримолекулярные, но и межмолекулярные - водородные связи Природа водородной связи заключается в неравномерном распределении электронной плотности в молекуле За счет этого образуется так называемый дипольный момент При этом положительно заряженная область молекулы притягивается к отрицательно заряженной и наоборот. Подобный эффект свойственен кислородсодержащим соединениям. Он напрямую связан со структурой решетки межмолекулярных связей, от которых зависит скорость парообразования.
Из литературных источников [106, 118,126,130] известно, что без добавления химических веществ, а, только используя, некоторые физические факторы, можно изменять надмолекулярную структуру и физико-химические свойства жидкостей. Используя физические факторы, имеется возможность придать жидкостям необходимые технологические свойства без внесения в них химических веществ («загрязнителей»).
Следовательно, можно предположить, что, используя воздействие какого-либо физического фактора, можно изменять имеющуюся структуру водородных связей углеводородных жидкостей. Одним из таких факторов является влияние переменного частотно-модулированного потенциала (ПЧМП). В настоящее время его воздействие на жидкие углеводороды до конца не исследовано, так как зависимость результата связана со многими факторами, такими как; частота подводимого потенциала, его амплитуда, природа вещества и его чистота.
В ходе эксперимента решались следующие задачи выявить эффект воздействия ПЧМП на жидкие углеводороды; сравнить изменения динамики роста избыточного давления каждой жидкости, с учетом наличия водородных связей в молекулярном строении;
Оценка влияния генератора ПЧМП на скорость парообразования жидких углеводородов осуществлялась по методике определения коэффициента диффузии паров жидкости в свободном объеме рабочей камеры [105]. Ее суть заключается в аналитическом расчете темпа насыщения т парами воздушного пространства при известной динамике роста избыточного давления в камере с ЛВЖ. По полученным экспериментальным данным, графическим или аналитическим методом определяем темп насыщения т парами свободного пространства аппарата.
В качестве объектов исследования рассматривались углеводородные жидкости, различные по своей природе и имеющие различные решётки межмолекулярных связей: этанол и гексан.
Оценка достоверности полученных результатов и требуемая точность осуществлялась по методу наименьших квадратов [103,104].
Опыты проводились на экспериментальной установке представленной на рис. 3.2. В ходе эксперимента температура исследуемой жидкости поддерживалась постоянной с помощью жидкостного термостата.
Лабораторная установка 1- камера предварительного подогрева; 2, 10- теплообменные рубашки; 3- U образный манометр; 4- кран, сообщающий испарительную камеру с манометром и компрессором; 5- кран налива испытуемой жидкости; 6- испарительная камера; 7- сливная трубка; 8- кран наполнения и опорожнения испарительной камеры; 9- наливная трубка (находится в теплообменной рубашке); 11- наливная воронка; 12- кран компрессора; 13- компрессор; 14- жидкостной термостат. Светло-серым цветом показана вода, тёмно-серым - испытуемая жидкость.
Влияние переменного частотно-модулированного потенциала на эффективность дезактивации
На данном этапе проверялась гипотеза о влияния воздействия генератора ПЧМП на эффективность дезактивации. Переменно-частотный широкополосный электромагнитный потенциал накладывался на дезактивируемые образцы металла непрерывно на протяжении всего процесса дезактивации. Перемешивание растворов в стаканчиках, в которые были погружены образцы, как и в предыдущих опытах (в опытах без наложения поля) не проводилось Результаты данной серии экспериментов представлены в таблице 4.3. Отметим также, что эксперименты проводились как с использованием т.н. низкосолевых дезактивирующих растворов, так и с использованием дезакти вирующих растворов, содержащих добавки хлорида натрия.
Анализируя полученные результаты, можно с большой уверенностью утверждать, что влияние наложенного магнитного поля на процесс дезактивации является положительным При воздействии генератора ПЧМП заметно увеличивается процесс очистки образца от активности. Это, возможно, обусловлено химической активацией поверхности дезактивируемого металла, что позволяет дезактивирующему раствору наиболее эффективно захватывать ионы радионуклида (60Со) и переводить их с поверхности образцов в водную фазу, увеличивая коэффициент дезактивации образцов
Результаты дезактивации образцов из стали Х40 в зависимости от воздействия генератора ПЧМП и дезактивирующих растворов представлены на рис 4.3.
Приведенные результаты показывают, что прослеживается характерная зависимость влияния растворенной соли на эффективность дезактивации: в присутствии хлорида натрия деактивация протекает более полно, т.е. наблюдается «солевой эффект» усиления удаления радионуклидов с поверхности металла. Как показывают приведенные в таблице 4.5 данные, этот эффект еще более усиливается при воздействии генератора ПЧМП на дезактивируемые образцы.
Сравнение результатов, приведенных в таблицах 44 и 4.5 позволяет четко выявить положительный дезактивирующий эффект от воздействия генератора ПЧМП и одновременного присутствия в дезактивирующем растворе соли - наблюдается возрастание коэффициента дезактивации и улучшение процесса очистки образца от активности. Как видно из данных, очень хорошие показатели можно получить для дезактивирующих растворов на основе трилона Б.
Для раствора трилона Б, с концентрацией 0,ЗМ в присутствии 1 М хлорида натрия коэффициент дезактивации увеличивается почти в три раза при воздействии генератора ПЧМП. Для наглядности средние значения коэффициентов дезактивации в зависимости от воздействия генератора ПЧМП и дезактивирующих растворов представлен на рис 4.4.
На следующем этапе работы было необходимо выяснить эффективность интенсификации процесса дезактивации при различных режимах работы генератора ГТЧМП. При дезактивации в качестве дезактивирующего раствора использовался раствор соляной кислоты с заданным значением рН. Экспериментальные данные представлены на рис. 4.5.
При сравнении значений коэффициентов дезактивации, с использованием генераторов ПЧМП с различными выходными параметрами, при различных значениях рН, видно не совпадение результатов. Вероятно, данные расхождения обусловлены тем, что генераторы имеют разные частотные и мощностные характеристики. Так же обнаружено, что при использовании генератора ПЧМП при понижении рН дезактивирующего раствора процесс дезактивации проходит более эффективно.
При использовании генераторов ПЧМП не был известен механизм воздействия на процесс дезактивации. Поэтому в данной серии опытов проверялось возможное влияние переменного частотно-модулированного потенциала на дезактивирующий раствор. Проверялось предположение о возможности «активации» дезактивирующего раствора посредством изменения структуры дезактивирующего раствора. Рассматривалось предположение о влиянии переменного частотно-модулированного потенциала не только на образец дезактивации, но и на способность дезактивирующего раствора повышать дезактивирующие свойства за счет «активации» посредством его наложения.
Для этого была применима следующая схема проведения экспериментов по дезактивации образцов. Эксперимент разделялся на две стадии, подготовки дезактивирующего раствора (раствора соляной кислоты с заданным значением рН) с наложением переменного частотно-модулированного потенциала и самой дезактивации, загрязненных 6иСо образцов.
Емкость, в которой проводилась подготовка дезактивирующего раствора, была выбрана из электропроводящего материала, и к ней подключался генератор ПЧМП. Время подготовки составляло от 10 до 120 минут. После подготовки дезактивирующего раствора прекращалось воздействие генератора ПЧМП, и с нулевым разрывом времени в подготовленный раствор опускались загрязненные образцы, и проводилась дезактивация, уже без воздействия
